本文選題：煤與瓦斯突出 + 粉化煤體　； 參考：《中國礦業(yè)大學》2017年博士論文

【摘要】：煤與瓦斯突出是煤礦生產(chǎn)過程中遇到的一種極其復雜的瓦斯動力現(xiàn)象,表現(xiàn)為在極短的時間內(nèi)由煤體向采掘空間突然拋出大量的煤巖、瓦斯形成粉煤-瓦斯氣固兩相流動。此過程通常還伴隨有強烈的煤體粉化現(xiàn)象,并形成粉化—快速解吸—繼續(xù)粉化—進一步快速解吸的正反饋機制,推動突出在巷道內(nèi)的發(fā)展。對突出粉煤-瓦斯流形成機制、運動特征以及煤體粉化在推動突出發(fā)展中所起作用開展相關研究,對于豐富和完善突出機理,指導礦井的防突工作具有重要意義。本文以巖石力學、表面物理化學和兩相流體動力學理論為指導,采用理論分析、實驗測試和數(shù)值模擬相結合的研究手段,通過對煤樣粉化前后的基礎物性參數(shù)、孔隙結構和瓦斯吸附/解吸性能開展精細定量化表征,獲得了粉化作用對煤樣孔隙結構的損傷特征并構建了粉煤初始瓦斯解吸動力學模型。另外,利用數(shù)值模擬和相似模擬實驗對突出發(fā)展過程中含瓦斯煤體粉化機制以及突出粉煤-瓦斯兩相流在巷道中的運動特征開展相關研究,并對含瓦斯煤體粉化與快速解吸在推動突出發(fā)展中的作用進行了分析。本文的主要研究結論如下:1)采用DEM-CFD模擬對突出煤體破碎粉化特點進行研究,發(fā)現(xiàn)突出發(fā)展過程中巷道內(nèi)部存在兩種碰撞粉化形式,分別是高頻低速的顆粒間碰撞和低頻高速的顆粒-壁面間碰撞。上述兩種碰撞作用都會導致煤體的粉化破碎,前者的粉碎產(chǎn)物以大粒徑煤顆粒為主,后者以小粒徑煤粉為主。隨著突出強度增大和拋出煤量的增加,顆粒間碰撞作用越來越占據(jù)主導地位,突出煤體的粉化也隨之變得更加明顯,相似模擬實驗實測得到的最大粉化比例達8.14%(突出壓力0.5MPa)。2)粉化前后,煤的基礎成分構成(水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳等)并無顯著改變,但是其孔隙結構卻發(fā)生明顯變化。采用物理吸附法對粉碎前后煤的孔隙結構進行定量表征,結果顯示由于次生孔隙結構的引入,煤的比表面積/孔容均隨粉化程度的增加而增長;0.074mm煤樣的比表面積/孔容相比于1-3mm煤樣增加了數(shù)倍至數(shù)十倍不等。當煤被粉碎到0.074mm后,部分煤樣的比表面積/孔容數(shù)值發(fā)生突變,表明這些煤樣的孔隙結構損傷特征已從局部損傷發(fā)展為全面破壞,同時也從側面說明了煤的基質尺度大小與其變質程度密切相關。3)粉化前后煤樣孔隙結構的改變對其瓦斯吸附/解吸具有顯著影響。隨著粉化程度增加,煤的瓦斯吸附量和130min累計解吸量Q_(130)均呈增長趨勢(臥龍湖無煙煤的影響較小)。煤樣初始瓦斯解吸能力考察結果還表明,0~5s的初始瓦斯解吸量5Q和第1min內(nèi)的瓦斯解吸量60Q占Q_(130)的比例隨粒徑的減小而增大。0.074mm煤樣的Q_5 Q_(130) 最大可達37.37%, Q_(60) Q_(130)最大可達66.67%;其余小粒徑煤樣的初始瓦斯解吸量也非�？捎^(基本在30%左右,最大達53.99%)。粉煤的初始瓦斯快速解吸對于突出發(fā)動瞬間煤體的拋出以及突出粉煤-瓦斯兩相流在巷道中的運動具有推動作用。4)通過對煤樣0~60s初始瓦斯解吸特征的實驗研究,結果表明絕大部分煤樣的初始瓦斯解吸量Q_t與解吸時間的平方根(?)呈高度線性關系。從上述實驗現(xiàn)象入手,基于球形擴散模型和Fick第二擴散定律構建并推導得到了不同粒徑樣品在不同平衡壓力條件下的初始瓦斯解吸模型。模型經(jīng)解吸實驗數(shù)據(jù)驗證,具有較好的可靠性與實用性,可用于粉煤瓦斯解吸對突出發(fā)展影響的相關研究工作。5)采用自主研發(fā)的試驗裝置對突出粉煤-瓦斯兩相流的結構、形成機制和運動特征開展研究,結果表明突出粉煤和突出瓦斯氣流間復雜的氣固耦合作用導致粉煤-瓦斯流的流型、沖擊波超壓、運動速度、突出煤質量分布及分選粉化特征均受到突出壓力和突出煤樣粒度構成(模擬構造應力在突出發(fā)生前對煤體的破碎作用)的影響。突出壓力越大、突出煤樣中0.25mm煤粉比重越高(對應突出煤體中構造煤的比例越大),突出的強度就越大。特別是當0.25mm粉煤的質量比重超過2/3后,在較高的突出壓力條件下并受到煤中初始瓦斯快速解吸的影響會形成突出粉煤流的“自加速”現(xiàn)象,二次加速后的粉煤-瓦斯流在巷道中呈栓流輸送,以150kPa的流體靜壓為動力在巷道中保持高速(30m/s)運動,煤巖搬運能力與破壞力顯著增強。6)采用弱吸附性氣體N_2作為對照組開展突出粉煤-瓦斯兩相流實驗,對煤中吸附的瓦斯氣體在突出中的作用進行辨析。結果顯示煤中吸附瓦斯在突出發(fā)動后的快速解吸對推動突出發(fā)展具有顯著促進作用,即便是初始瓦斯解吸速度相對較慢的大粒徑煤樣,受突出兩相流中煤體碰撞粉化促進瓦斯解吸的影響,依然可以加強突出的強度及破壞力(突出相對強度增加4.51%~9.42%);小粒徑煤粉在突出發(fā)動后的瓦斯快速解吸更可以誘導巷道中運動的粉煤 瓦斯兩相流形成自加速兩相流和栓流輸送現(xiàn)象,進一步增強突出的強度和破壞力。7)依據(jù)突出過程需要滿足的能量條件,對含瓦斯煤粉化、快速解吸在推動突出發(fā)展過程中的作用進行了研究。結果表明煤中游離瓦斯和吸附瓦斯共同參與了突出過程,粉煤的初始瓦斯快速解吸特征在推動突出發(fā)展的過程中起決定性作用;實際突出事故中,總能量的73.3%~89.95%是由粉煤的瓦斯快速解吸提供的。
[Abstract]:Coal and gas outburst is an extremely complex gas dynamic phenomenon encountered in coal mine production . It is characterized by a large amount of coal rock and gas - solid two - phase flow in a short period of time . Q _ ( 60 ) Q _ ( 130 ) is up to 66.67 % , and the initial gas desorption capacity of the remaining small particle size coal samples is also very substantial ( approximately 30 % , up to 53.99 % ) . 綺夌叅鐨勫垵濮嬬摝鏂揩閫熻В鍚稿浜庣獊鍑哄彂鍔ㄧ灛闂寸叅浣撶殑鎶涘嚭浠ュ強紿佸嚭綺夌叅-鐡︽柉涓ょ浉嫻佸湪宸烽亾涓殑榪愬姩鍏鋒湁鎺ㄥ姩浣滅敤.4)閫氳繃瀵圭叅鏍，

本文編號：2097631